探讨无线传感器网络LEACH路由协议的变化

引言
　　当计算机的运算速度突飞猛进，使数据处理和计算能力迅速提高后，当存储器的容量无限增长，使海量存储得以实现时，当网络的带宽一再提升，数据传输己变得轻而易举时，如何高效地获取尤其是远程获取需要处理的大量信息成为人们研究的重点，于是融合了传感器技术、信息处理技术和网络通信技术的无线传感器网络(Wireless Sensor Networks，简称WSNs)[1]应运而生。部署在检测区域内的传感器节点通过无线通信的方式形成一个多跳的自组织网络系统，称之为无线传感器网络（Wireless Sensor Network）。协作感知、采集和处理网络覆盖区域中感知对象的信息并发送给观察者是WSN 的主要目的。其要素是传感器、感知对象和观察者。传感器之间、传感器与观察者之间以无线的形式建立通信路径，达到协作感知、采集和处理网络覆盖区域内的感知对象信息的目的。实际情况下，WSN 中的节点是在不断运动的，本文中所提到的节点都是静止状态下的，并且每个节点都可以冲淡路由器，具有搜索、定位、和恢复连接的能力。
　　1 无线传感器网络路由分类
　　路由协议对于网络传输是必不可少的，WSN 路由协议延续了Ad hoc 网的分类方法，可以根据不同的角度进行分类。可根据根据路由发现策略的角度不同，将WSN 路由协议分为主动路由和被动路由两种类型；可根据网络管理的逻辑结构不同，将WSN 路由协议分为平面路由和分层结构路由两类[2 ][3]。
　　2 LEACH[4-6]路由协议
　　层次路由协议中最具代表性的是LEACH 路由协议，该协议是低功耗自适应聚类分级路由协议[7-9]其他层次式的路由协议如TEEN、APTEEN、PEGASIS 等大都由LEACH 发展而来。
　　LEACH 的基本思想是将整个网络的能量负载平均分配到每个传感器节点中,这主要是通过随机循环地选择簇首节点实现的，从而有效将网络能源消耗降低，提高网络整体生存时间。
　　LEACH 在运行过程中不断地循环执行簇重构过程。
　　传统的 WSN 基于簇的结构被关注。因为簇首节点的能量消耗远远大于非簇首节点，导致簇首节点比非簇首节点消亡的要快。为了解决这个问题，Heinzeman 提出了LEACH。这个算法的基本思想是周期性的选择簇。每个周期成为“轮”，每一轮选择簇首节点，其他节点协助簇首节点进行数据传输，最终，簇首节点对数据进行融合并将数据传给sink 节点。
　　每一轮，每个节点被随机赋予0-1 之间的任意值，如果这个值小于最低预测极限值，则节点变为簇首：
　　P 是在网络中头节点在所有节点中的比例；r 是当前选择轮数；G 是过去1/p 轮未被选为簇首的节点集合。
　　3 LEACH 协议改进与仿真
　　3.1 对LEACH 协议的簇的形成和簇首选取方法进行改
　　进本文提出的改进协议中，簇的.形成和簇首选取的过程如所示。根据公式其中，假设每个簇在WSN 中所占的面积为S/k ，dtoBS 为簇首节点到基站BS 的平均距离，εfriss-amp 为Friss frss space model 时的放大器参数，εtwo-ray-amp Two-ray Groundmodel 时的放大器参数。
　　结合 WSN 内情况，对网络内分簇数目C 进行估算，得出每簇的节点数目V=节点总数Y/C,将V 设置为簇内节点数的最高门限值，即成簇节点的个数最高值。形成簇及簇首选取流程图如图所示。统计网络中各节点的邻节点数目Vi，如果Vi>V，则放弃该组节点成簇的机会；如果Vi≤V，将节点的邻节点数目进行排序，按照节点数目大小排序为q1、q2、q3、q4…qi…qc，如果发现其中qm、qn（m>n）互为邻节点，则在序列中舍弃qn，后面的节点依次向前增补。此时，将整个网络分为了C 个区域，任取其中某一个子区域，其节点集合为Ci，抽取该自子区域内的邻节点数目最多的节点qi，其剩余能量为Ei，此qi 的邻节点集合记为D，则D=Ci-{qi}，qi∈Ci，D 中任意一节点e，其能量为Ee，如果：Ei>Ee，e∈D，则qi 为该簇簇首节点，否则，计算max（Ee） e∈D，则e 为簇首节点。